非静压假定的σ坐标下垂向二维浅水模型的应用研究

本文采用σ坐标下的垂向二维自由表面流动的k -ε双方程湍流数学模型 ,加入动水压力项 ,采用有限体积法来离散 ,求解模型时利用SIMPLE算法。本模型通过带有槽沟的明渠水流资料进行验证 ,计算结果与实测结果吻合较好 ,在预测底部有潜堤明渠水流时 ,计算出潜堤后面有明显的回流。     

明渠完全掺气水流水力特性数值模拟研究北大核心CSCD

明渠自掺气现象常见于水利工程,当水流流速较高时,空气在较大的紊动作用下会扩散至水槽底部形成明渠完全掺气水流,水流掺气对水力特性有较大影响。目前对掺气的研究大多通过模型试验,而模型试验又存在难以忽略的缩尺效应。本文采用混合模型、紊流模型和浓度方程建立了一套水气二相流数值模型,利用有限差分方法进行离散求解。采用明渠自掺气试验对该数值模型进行验证,掺气浓度和水流流速的数值模拟结果与试验数据吻合良好,说明本文建立的数值模型能有效地模拟明渠完全掺气水流水力特性。进一步研究发现,对于明渠完全掺气水流,掺入水体的空气受强烈紊动作用可以到达水槽底部,使得壁面对掺气水流阻力作用减小,造成掺气水流流速明显大于相应非掺气水流流速。     

明渠水流的紊动特性

本文采用先进的二维激光流速仪系统地量测了明渠水流的紊动特性，探讨了明渠水流的紊动机理。根据实测资料，得出了各种紊动统计参数的数学表达式，为研究水流的紊动结构及悬移质泥沙的运动机理提供了可靠的验证资料。     

调水工程明渠非恒定流解析近似控制模型研究

本文用线性化圣维南方程研究调水工程明渠输水道多渠段非恒定流,以用于明渠水流运动过程的控制系统设计。文中给出明渠物理属性对渠段水流控制方式选择影响定量分析方法,并推导出以闸门开启面积为控制变量、渠段上下游水位为被控变量的多渠段解析近似传递函数模型。模型准确性通过假设的调水工程输水渠道(包括三段渠段和四个控制闸门)实例验证。     

明渠水流相似模拟超声速气体空腔流动的研究

基于热力学、流体力学基本关系式,采用微积分变换,推导了超声速气体流动和明渠流动的相似模拟的基本公式,总结了相似参数的对应关系、限制条件及应用范围。基于特征线法设计了喷管,并设计搭建了明渠水流试验台,采用高速相机和压力脉动传感器,完成了明渠空腔水流流动的试验。试验结果表明,弗劳德数为2.0、流量为11 m3/h的空腔流动,其压力脉动主频为2.09 Hz。本文通过试验验证了可压缩气体流动与明渠水流流动之间的相似性,该研究方法在国防工业中具有广阔的应用前景。     

U形明渠流量与悬垂平板偏转角关系研究

为确定明渠流量与平板偏转角度的关系，本文研究了悬垂薄平板在明渠水流冲击作用下的动力学特性及平板偏转现象，分析绕轴自由旋转薄平板在水中的受力，将平板所受水流作用力竖直向上的分力假设为静水压力，应用动量定理与力矩平衡原理，推导了平板偏转角度α与流量Q之间的理论关系式，并在U型渠道上进行试验，验证理论公式的合理性。流量小于10 L/s时计算流量与实测流量的相对误差超过10%，其他均小于10%，流量大于17 L/s时误差均小于5%以内，测流范围在10 ~ 44 L/s，当悬垂薄平板与明渠横断面等大时，流量Q与偏转角度α存在单值对应关系，角度α随着流量Q的增大而增大；板前后水位差?h随着角度α增大有逐渐减小并趋于定值（大概3 cm）的趋势，平板下水流流态随着平板偏转角度的增大由急流过渡为缓流；绕流阻力R随着雷诺数Re的增大而增大，阻力系数Cd随着雷诺数Re的增大而减小，平板偏转角度α与板前后水位差和阻力系数有关。     

不对称地形下进/出水口明渠段环流特性研究

为研究不对称地形下明渠段内的环流特性,以一抽水蓄能电站上水库为研究对象,对引水明渠内部的流场进行了详细的数值模拟分析。研究发现,由于明渠前方及两侧的地形边界不对称这类不利地形条件,明渠内产生了较大范围的环流,不仅影响明渠内的水流流态,还降低了各进/出水口拦污栅断面水流的均匀性,属不利的水流现象。针对这一情况,提出通过加大明渠连接段长度并扩大明渠一侧开挖范围可以使环流位置远离进/出水口,在一定程度上改善明渠内的水流流态,降低拦污栅断面水流不均匀程度,减小环流的不利影响。本文研究成果可以增大抽水蓄能电站进/出水口选址的灵活性,避免大范围的开挖,为抽水蓄能电站明渠布置方案的设计提供有益的参考。     

缓变弯道河道冲刷试验研究

有关弯道水流及其河道演变特性的研究一直为人们所关注。本文引入了在直线段和单一曲率圆弯道间插入曲率渐变的过渡段这一新的弯道型式,舒缓水流冲击力和离心力作用,以减轻水流对河床及堤身、堤脚的冲蚀破坏。作者首先对这一弯道和圆弯道的水流流速、副流强度进行了数值模拟的计算和比较;又通过变换床沙、流量及放水时间,进行了24组合的动床试验;最后,通过整理分析所有实验数据,对插有缓变曲线的弯道的减蚀作用进行了探讨。结果表明：插有缓变曲线的弯道可以减轻水流对两岸堤身和堤脚的冲蚀破坏;在弯道同一横断上的最大冲深与沙洲波高的比值最终稳定在0．58。     

可变网格下江河截流数学模型研究

在江河截流过程中,随着戗堤的移动,龙口处河床及河岸边界条件不断变化,给截流设计中的水力计算带来了很大困难.本文将可变网格的计算方法应用到江河截流数值模拟中,克服了传统采用固定网格下的数学模型在计算时,难以随截流戗堤的移动动态调整计算边界的困难,使得在计算过程中,计算网格随龙口戗堤的移动而移动,为研究龙口附近的水力参数提供了一种新的计算途径.以三峡工程大江截流为模型计算实例,对截流过程中水力参数变化进行了模拟,并与物理模型结果及天然实测资料进行了对比,结果吻合较好,表明所建模型能较好的模拟不同龙口宽度时水力参数的变化规律,可为截流施工设计提供必要的科学依据.     

空箱式挡土墙结构设计研究

为了解决结构布置空间不足时的水流分隔问题,研究了空箱式挡土墙的结构设计,以某电厂取水和排水明渠之间隔水的空箱式挡土墙为例,运用STAAD.PRO软件建立三维模型,确定基本工况与荷载组合后进行分析计算;结合传统构件分析方法,进行地基承载力、沉降、稳定、裂缝验算,并进行构件强度设计。结果表明,两种方法结合,可更真实的模拟结构工作状态,设计结果可靠、合理。     

风暴潮过程中波浪对地形演变影响的数值研究

建立了一个波流耦合作用下泥沙输移的平面二维数值模型，以研究风暴潮过程中地形冲淤变化的规律及波浪的影响。水流和泥沙输运的模拟采用水沙耦合数值模型，以考虑强冲淤条件下地形变化与水流运动之间的相互作用。波浪场模拟采用SWAN模型，计算得到的波浪辐射应力输入水沙耦合数值模型实现波流耦合。采用建立的模型对风暴潮过程中近岸地形变化进行了分析，结果表明，波浪对地形演变的影响程度随着风暴潮潮位的增加而减小。当风暴潮潮位较小时，近潮汐通道处形成不对称的三角洲、入口处形成冲刷坑；当风暴潮潮位较高时，形成的三角洲不对称性较小。当风暴潮潮位升高，近岸水深与波长之比大于0.15时，波流耦合模型与不考虑波浪作用模型计算所得的地形变化的绝对误差为整体地形变化的5%，但前者计算时间增加了一倍，因此，波流耦合计算对于风暴潮潮位较低，近岸水深与波长之比小于0.15时具有重要意义。     

不同线路模型下潜供电流的特性分析

输电线路参数是影响潜供电流的主要因素之一,对于超高压长距离输电线路必须要考虑线路的分布参数特性.本文基于分布参数的超高压长线建立了单相弧光接地引起线路两端开断后潜供电流和恢复电压的动态模型,在相模变换的基础上,采用二次模变换的方法对潜供电流与恢复电压的稳态值进行了精确计算,分析了不同线路模型对潜供电流的影响,基于RTDS对采用不同输电线路模型时的潜供电流进行了仿真分析,仿真结果验证了理论分析的正确性.     

数值模拟明渠跨临界水流的删减对流项方法研究

从理论分析和数值试验两方面对模拟明渠跨临界水流的删减对流项方法进行研究。理论分析证实,对流项的删减可解决Preissmann差分方法在处理跨临界水流时存在的格式结构不适定问题,并能获得稳定解。通过矩形断面明渠恒定跨临界水流和实际河道非恒定跨临界水流的模拟对数学模型进行验证,并提出新的对流项删减方式,即根据流体弗劳德数逐渐删减对流项的首项,而对后一项不做删减。     

考虑潜供电弧初始位置随机性的电弧仿真模型

短路电弧向潜供电弧转换过程中,因短路电弧直径远大于潜供电弧,潜供电弧出现的具体位置不能确定,潜供电弧初始位置具有随机性。针对这一问题首次建立了仿真模型,认为潜供电弧出现的位置与空间电导率有关,电导率越大,越容易击穿形成潜供电弧。基于此种认识,计算了空气电导率与温度之间的关系,进一步求得了不同短路电流下电导率沿电弧径向分布规律。在此基础上,仿真计算了不同短路电流下潜供电弧初始弧长的随机性,进而将潜供电弧初始位置随机性模型应用到链式电弧模型中,对潜供电弧进行仿真计算,获得了具有分散性的潜供电弧燃弧时间,并将仿真结果与实验结果相比较。结果表明:电导率随温度变化呈先增加后平坦最终降低的规律;电流为1 k A时电导率沿电弧径向单调递减,而电流为25 k A时电导率沿电弧径向呈现先增加后减小的趋势;随着短路电流的增大,潜供电弧初始弧长平均值与弧长的分散性也随之增大;燃弧时间计算结果与实验结果整体趋势一致,相对误差较小,计算模型可靠。     

台阶溢流坝下的流速探讨

本文分析了台阶溢流坝坝面水流流态，从明渠水力学的角度出发，推求出台阶溢流坝坝下流速的表达式，并通过水力模型试验研究，求得出了台阶溢流坝坝下流速的计算式。该式的计算结果与其他学者的模型试验成果尚能吻合，表明该式具有一定的适用性，，同时该式亦可用于对台阶溢流坝坝面最大流速进行估计，以便判别坝面出现空蚀破坏的可能性。     

基于谱元法的三维欧拉-拉格朗日浅水模型

基于欧拉-拉格朗日法（Eulerian-Lagrangian method,ELM）计算对流项的三维水流数学模型,大时间步长计算仍保持稳定,但空间线性插值计算会产生附加数值阻力,限制了该类模型在河流工程中的应用。谱元法（spectral element method,SEM）是一种适合复杂区域计算的高阶数值方法。本文引入谱元法,将垂向线性插值改为多项式插值,构建了新的欧拉-拉格朗日法三维浅水流动数值模型。通过顺直明渠的算例分析表明,新三维模型结合了欧拉-拉格朗日法与谱元法的优点,时间步长能突破柯朗数的限制,同时消除了经典欧拉-拉格朗日法的数值阻力,计算精度有数量级的提高。     

明渠水流自掺气对断面平均流速的影响

建立了求解明渠自掺气水流断面平均流速的理论公式，计算表明当气泡扩散到槽底，断面平均流速就增大，否则，掺气对断面平均流速影响不大；对断面平均流速的理论公式进行分析，从理论上说明了自掺气水流的速度分布必然存在一个自底面向水面方向不断增大，然后再逐渐减小的过程。分析了掺气对流速影响的原因，认为掺气水流断面平均流速增大主要是由于气泡进入了剪切层，导致掺气水流抗剪强度降低所致，而流速分布在上区减小是由于掺气使气体边界对速度的影响深入到了水流内部所致。     

复杂边界下三维水流数学模型的建立和验证

本文从底层开发了三维水流数学模型。模型使用平面正交坐标和立面为a坐标来拟合河道平面形态、地形和自由水面的不规则分布。计算中采用同位网格布设方式和动量插值方法来避免棋盘压力分布。采用有限体积法（FVM）离散紊流方程,方程的对流项采用修正QUICK格式离散。采用SIMPLEC算法求解流速场和动水压力场。通过对弯道和深槽水流输运的验证表明计算结果和实测值吻合良好,模型能够用于复杂边界条件下水流输运数值计算。     

汇流区流态及工程整治方案的数学模型研究

两流交汇是自然界最普遍的流动现象,汇流区的流态和水沙运动规律复杂,对市政规划、河道变化、生态环境等都具有重要的影响。本文以哈尔滨市三家子河段整治为例,采用二维k-ε模型研究了汇流区的流态,提出了优化堤线方案。计算结果表明:优化方案对防洪水位的影响很小,水流流态没有明显的改变,且堤线顺应河势、排漂导流合理,有利于工程区的景观和生态环境。研究成果对类似的工程具有参考价值。     

明渠湍流速度的分形特征研究

湍流运动广泛存在于自然界的各种明渠水流中,了解湍流运动的速度特征对于指导工程实际问题如泥沙运动的规律、河流污染物的扩散、高速水流的脉动压强等具有十分重要的现实意义。采用明渠水槽去模拟湍流,利用ADV去测量各测线点的湍流流速,结合空间位置和小波理论,探究明渠断面湍流速度的分形特征。结果表明:湍流速度和及其经小波包多尺度分解的各个频段能量谱具有分形特征和自相似性,湍流空间流速分数维并不是某一个固定值,在空间范围内呈现一定波动的规律性,考虑雷诺数对湍流分数维的影响时,要具体对同一流态三个方向的湍流速度信号分别来探讨,低雷诺数下,湍流的分数维主要受到的是小尺度涡耗散影响。